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1、,第五章 增压柴油机热力过程模拟计算,5.1概述,1）预测柴油机的性能指标 2）对柴油机和涡轮增压器的结构进行优化 3）为柴油机的可靠性校核计算提供依据 4）进行工作过程分析,5.1.1模拟计算的意义,5.1.2 模拟计算方法,一、热力系统的划分,系统内各个部位的气体压力、温度和成分都是均匀的， 即处于瞬时热力平衡状态； 系统和系统之间通过热量与质量的传递相互联系。,（1）气缸,假定柴油机气缸中每一瞬时气体的压力、温度和成分均匀; 作为一个热力系统。 模型：完全混合扫气模型：用于四冲程柴油机、二冲程柴油机 分层扫气模型：用于二冲程柴油机的强制扫气阶段。 注意：此时应划分为两个热力系统，即扫气气
2、流区域和废气区域，两系统压力平衡，温度和成分不同。 不同的工作阶段采用不同的微分方程，计算顺序：压缩过程、燃烧过程、膨胀过程、排气过程、扫气过程、进气过程。,（2）排气管,指从排气门到涡轮入入口的排气道、排气歧管和总管。 模型： 容积法 一维不定常流动法,（3）涡轮增压器,涡轮：做功元件。流量和做功量来自于排气管参数。 压气机：根据压气机流量特性曲线和每循环的涡轮做功，求得压气机出口气体的压力、温度、流量等参数。,（4）中冷器,流通阻力系数和换热效率已知： 流通阻力系数和换热效率未知：效能传热单元数法,中冷器出口气体的压力和温度,（5）进气管,一般采用容积法 进气谐振系统应考虑进气管内的压力波
3、动，采用一维不定常流动法。,二、模拟计算的方法步骤,1. 已知条件,（1）柴油机的各种结构参数 缸径、行程、气缸数、配气相位、气门尺寸、气门升程规律、压缩比、曲柄连杆比、排气管尺寸等。 （2）柴油机的工作参数 柴油机转速、单缸循环供油量、供油提前角、环境状态等。 （3）涡轮增压器的有关参数 涡轮最高效率、涡轮增压器机械效率、压气机流量特性曲线、涡轮喷嘴环出口流通面积、涡轮叶轮出口流通面积等。 （4）中冷器有关参数 冷却效率、流通阻力损失系数或中冷器结构尺寸。 （5）靠经验选取的参数 进、排气门流量系数，缸壁温度，燃烧放热模型等。,2. 计算步骤,（1）缸内压缩过程计算 暂时假定压缩初期缸内压力
4、、温度、气体成分和质量，按每一微小时间间隔（一般取12CA）计算压缩过程，直到喷油开始；然后求出滞燃期，进行滞燃期期间的压缩过程计算。,（2）燃烧过程计算 在每一微小时间间隔，利用燃烧放热模型进行计算。由于此时压力和温度变化较大，时间间隔应取得更小一些一般取0.51CA。,（3）膨胀过程计算 在每一微小时间间隔，从燃烧终点至排气开始。,（4）排气过程计算 暂时假定排气初期排气管内气体的压力、温度、成分和质量，在每一微小时间间隔同时进行三个方面的计算：缸内过程、排气管状态和涡轮作功。,（5）扫气过程计算 暂时假定进气管内的压力和温度，并保持为常数。按每一微小时间间隔进行四个方面的计算：进气、缸内
5、、排气和涡轮作功。由于此时气缸余隙容积较小，且缸内气体的成分变化较大，为了计算稳定，间隔应取得更小一些（一般取02505CA）。,（6）进气过程计算 进行进气计算和缸内计算，直到进气门关，回到压缩始点。,（7）压缩始点缸内参数校核 用第（6）步算出的压缩始点状态与第（1）步的暂时假定值比较（一般只比较压力），如不一致，以第（6）步算出的压力、温度、成分和质量代入第（1）步重新进行计算，直到结果一致。 注意：在迭代过程中，对于排气始点暂时假定的排气管内状态，以前一次算出的计算结果代入，仅作迭代，不作校核。,（8）涡轮增压器的计算 累加每循环全部气缸的涡轮作功，计算压气机出口的压力和温度。,（9）
6、中冷器计算 计算中冷器出口亦即进气管内的压力和温度。,（10）进气管内压力的校核 用算得的进气管压力与第（5）步暂时假定值进行比较，如不一致，代入新算得的压力和温度值，从第（1）步开始重新进行迭代计算。 温度可仅作迭代，不作校核。,三、 计算结果 1）缸内压力、温度随曲轴转角的关系，即缸内P 图和 T 图。 2）排气管内压力、温度随曲轴转角的关系。 3）燃烧放热率、累积燃烧放热率、缸内压力升高率。 4）增压压力、空气流量、涡轮增压器转速、压气机效率等涡轮增压器的工作参数。 5）柴油机的综合性能参数，如功率、油耗率、转矩、热效率、机械效率、充量系数、过量空气系数、扫气系数、残余排气系数、排气压力
7、和温度等。,52 工质成分、比热容、等熵指数、相对分子质量及气体常数,混合气体平均摩 尔定容热容,等熵指数,相对分子量Mr,气体常数R,与混合气体的组成成分有关,把混合气体分成两部分计算,纯燃烧产物,纯空气,纯燃烧产物 : 燃烧过量空气系数时完全燃烧后的燃烧产物。,纯空气：,相对分子质量,对于一般柴油机燃料，其成分按,计算,相对分子质量,表示含有两种气体成分的组成的方法,瞬时排气系数：,某一瞬时气缸内气体中纯燃烧产物的质量与其中纯空气 的质量之比,Mz该瞬时气缸内气体的总质量 mN该瞬时气缸内纯空气的质量,广义过量空气系数,某一瞬时气缸内存在的空气量（相当于燃烧以前的）与气缸 内气体所含有的燃
8、烧产物所相当的燃油量理论上燃烧所需空气 量的比值。,单缸循环供油量（kg）；,化学计量比，即1kg燃油理论上完全燃烧所需的空气量，,14.3kgkg；,某瞬时气缸内已燃的燃油量占循环供油量的份数,燃烧过程中,排气过程中,燃烧到某一瞬时已燃烧掉的循环喷油量的份数；,从排气门排出的排气量 。,混合气体的摩尔定容热容的计算（内插法）,经验公式：,平均摩尔定容热容,瞬时摩尔定容热容,混合气体其他参数,等熵指数,相对分子质量,气体常数,53 缸内热力过程计算,缸内状态三个基本参量 （m，p，T）,能量守恒方程 质量守恒方程 状态方程,联立求解,能量守恒方程,质量守恒方程,状态方程,hd和he分别为从进气
9、门和排气门流过气体的比焓； Qf燃料燃烧的热量； Qw冷却介质带走的热量；Vz为此瞬时的气缸容积；,进气门流入质量；,排气门排出质量。,先算出缸内温度的增量及下一步长的温度，再由状态方程式算出 缸内压力。,方程组的计算顺序：,先算出缸内的压力增量及下一步长的缸内压力，再由状态方程 式算出缸内温度；,能量守恒方程的简化形式,缸内不同的工作阶段，上述各项中可能会有一项或多项为零， 方程会进一步简化。,压缩过程,燃烧过程,膨胀过程,纯排气过程,扫气过程,纯进气过程,531 气缸工作容积,气缸容积变化率,532 燃油燃烧放热规律,燃烧放热率,式中， gf单缸循环供油量； x在某一曲轴转角时，已烧掉的燃
10、油质量与gf之比，即累积燃烧放热率；,瞬时燃烧速率；,Hu所用燃料的低热值，对于柴油，Hu41868kJkg。,1. 用单Vibe（韦博）曲线模拟,适用于平均有效压力不很高、转速不高的中、低速柴油机。,m 燃烧品质指数,燃烧始角,燃烧持续角,在非标定工况时，燃烧持续期,和燃烧品质指数,m可用下式予以修正,2. 用双 Vibe曲线模拟,其中,计算部分负荷工况时,可取,、,、mp、md与标定工况相同,扩散燃烧的热量,（,）和扩散燃烧的持续角,用下式修正:,3. 用三段斜线模拟,图5-3 用三段斜线模拟放热规律,滞燃期,上海交大230公式,的确定,以喷油始角的缸内压力p与温度T来计算,考虑到在滞燃期
11、中缸内瞬时压力和温度对滞燃期的影响，从喷油开始，计算每一步长内的瞬时滞燃期，,滞燃期,4.用Vibe双区（Vibe Two Zone）曲线模拟,5.用MCC（Mixing Controlled Combustion）准维模型模拟,6.用WOSCHNI/ANISITS模型瞬态工况,5.3.3 气缸周壁的热传导,气体对气缸周壁散热率的一般表达式,式中， Kw传热系数； F1与缸内气体接触的缸套周壁表面积，F1=4VZ/D； Tw气缸套内壁平均温度； Tw1气缸盖内表面平均温度； Tw2活塞顶内表面平均温度； TZ缸内气体瞬时温度。,Kw,的计算,5.3.4 进、排气门的流量计算,1. 气门的几何流
12、通截面积,气门处的流通截面积,气门座喉口处的流通面积,（5-55）,（5-56）,2. 气门的流量系数,用实物静吹风试验可得到,经验公式,（5-61）,3. 进、排气门的流量计算,通过进气门处的流动是亚音速流动，其流量为,（5-62）,通过排气门的流动，在初期排气阶段为超临界流动，后期为亚临界流动,亚临界排气阶段,（5-63）,超临界排气阶段,（5-64）,4. 扫气阶段的缸内气体成分,四冲程增压柴油机：一般用完全混合模型。,二冲程增压柴油机 ：一般用浓排气 扫气模型。,5.4 排气管内的热力过程计算,5. 4. l 容积法计算模型,常微分方程的形式与计算气缸内热力过程时相似，不同之处：,1）
13、排气管的容积Vr常数。 2）假定气体的成分不随时间而变，即,3）气体常数变化很小，可取Rr常数。 4）气体从排气门流入排气管，总有几个气缸依次流入 同一根排气管；而排气有时从几个涡轮或放气阀流出。 5）不对外作功。,排气管中的能量守恒方程、质量守恒方程、状态方程,n个气缸排入同一根排气管的能量和质量；,通过m个涡轮的能量和质量；,Vr为排气管容积,Rr为排气管中的气体常数,能量守恒方程温度变化率的形式,（5-68）,5.4.2 脉冲转换器和MPC系统的容积法计算,1脉冲转换器计算模型,把两个排气歧管和一个混合管作为三个容积，其间用喉口通道相联，三个容积分别用容积法求解。,把气缸、排气歧管和排气
14、总管分别作为三个容积系统，在能量方程、质量方程和状态方程的基础上，加入动量方程，用压力、温度、质量和速度四个基本参数描述容积内的气体状态。 相邻容积间发生的热力过程，用质量传递、能量传递和动量传递等过程来描述，排气门边界、脉冲转换器边界和涡轮边界，均简化为简单喷嘴。,2MPC系统的修正容积法,5.4.3 进、排气管的一维非定常流动计算,假定,1）流动是一维的。对于每一个流动参量，均认为是该参量 在管道截面上的平均值。 2）流动是非定常的，每一个流动参量都是管道长度坐标X和 时间t的函数。 3）管道截面积变化平缓，管壁是刚性的。 4）可以考虑管壁对气体的摩擦和热交换，而且也可以考虑 支流向管道中
15、加入质量，但仍认为气流的状态是一维的。 5）不计气体的重力。,三个基本方程,考虑到流通截面的改变和分支添加质量的连续性方程的修正项；,考虑到管壁的摩擦和分支添加质量的动量方程的修正项；,考虑到管壁的传热和摩擦及分支添加质量对能量方程的修正项,特征线法 有限差分法 有限元法 限容积法,5. 5 涡轮增压器与中冷器的计算,5.5.1 涡轮,采用简化计算方法的两点假定,1）把整个涡轮作为一个节流喷嘴，其当量流通面积为,2）在排气管压力波动的情况下，认为微小时间内的燃气流是稳定的，即所谓准稳定流动。,FN、FB分别为喷嘴环出口和工作叶轮出口气流的实际流通面积,（5-72）,1. 通过涡轮的流量和涡轮所
16、作功,在微小时间间隔,内，通过涡轮的质量为,为当量流通面积FT下的流量系数；,为涡轮的膨胀比。,（5-73）,2. 涡轮当量流通截面下的流量系数,由涡轮增压器生产厂家提供的试验曲线直接进行计算， 由根据试验曲线整理的高次方经验公式计算,根据日本石川岛播磨重工由VTR1系列涡轮增压器得到的,曲线整理,（5-77）,3. 涡轮效率,有试验曲线,把数据直接输入计算机，计算时用插值法求出。,无试验曲线，应已知,经验公式,石川岛播磨重工根据VTR1系列轴流式涡轮增压器的试验结果整理得到公式：,（5-81）,上海交大根据几台国产轴流式涡轮的试验数据整理的经验公式,上海交大根据几台径流式涡轮的试验曲线总结出的经验公式：,5.5.2 压气机,试验得到,图5-7 压气机性能曲线,计算时，根据,把性能曲线中四个参数中的,和,划分为ij个间隔，,二维线性插值,5.
